Đồ Án hệ thống Động lực tàu thủy

tài liệu môn học ( Đồ án môn học ) cho chuyên ngành máy tàu thủy Tài liệu môn Hệ thống động lực ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

1.1 Giới thiệu về tàu

Tàu hàng khô 2000 DWT (Hoàng Hải 268) là loại tàu biển vỏthép, kết cấu hàn hồ quang điện, đáy đôi Tàu được trang bị mộtchân vịt truyền động trưc tiếp bởi một máy chính thông qua hộpsố

Tàu được thiết kế để chở những loại hàng hoá sau:

– Các sản phẩm hàng rời

– Các hàng khô…

1.2 Vùng hoạt động và cấp thiết kế

– Vùng hoạt động của tàu: Biển hạn chế II

– Tàu hàng 2000 DWT được thiết kế thoả mãn Cấp hạn chế IItheo Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép của Đăngkiểm Việt Nam

1.1.3 Các thông số của tàu

- Chiều dài lớn nhất: Lmax= 69,83 m

- Chiều dài giữa hai trụ: Lpp= 65,85 m

- Thuyền viên: 12 người

- Thời gian hoạt động liên tục: 30 ngày

- Khối lượng chân vịt: 570 kg

1.1.4 Luật và công ước áp dụng

- Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép - 2003 BộKhoa học Công nghệ và Môi trường

- MARPOL 73/78 (có sửa đổi).

- Bổ sung sửa đổi 2003 của MARPOL

- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 21:2003/BKHCN và MT/

về Phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép

1.2 Tổng quan về trang trí tàu

1.2.1 Bố trí buồng máy

Buồng máy được bố trí từ sườn 05 (Sn5) đến sườn 27 (Sn27).Diện tích vùng tôn sàn đi lại và thao tác khoảng 22 m2 Lên xuốngbuồng máy bằng 02 cầu thang chính và 01 cầu thang sự cố

Trong buồng máy lắp đặt 01 máy chính và các thiết bị phục

vụ hệ thống động lực, hệ thống ống toàn tàu Điều khiển các thiết

bị được thực hiện tại chỗ trong buồng máy Điều khiển máy chínhđược thực hiện tại chỗ trong buồng máy hoặc từ xa trên buồng lái.Một số bơm chuyên dụng có thể điều khiển từ xa trên boong chínhnhư bơm vận chuyển dầu đốt, bơm nước vệ sinh, sinh hoạt, cácquạt thông gió

Buồng máy có các kích thước chính:

- Chiều rộng trung bình: 9,80 m;

- Chiều cao trung bình: 5,20 m

1.2.2 Máy chính

Máy chính có ký hiệu Z8170ZLC-18 do hãng ZICHAI sản xuất,

là động cơ diesel 4 kỳ tác dụng đơn, tăng áp bằng turbo-charge,dạng thùng, một hàng xy-lanh thẳng đứng, làm mát gián tiếp haivòng tuần hoàn, bôi trơn áp lực tuần hoàn kín, khởi động bằngkhông khí nén, tự đảo chiều, điều khiển tại chỗ hoặc từ xa trênbuồng lái

Thông số của máy chính:

- Hãng (Nước) sản xuất: Zichai, China

- Khối lượng động cơ [G]: 4,3 tấn

- Chiều dài bao lớn nhất [Le]: 3080mm

- Chiều rộng chân bệ động cơ [We]: 1440mm

- Suất tiêu hao nhiên liệu: 196 g/ml.h

1.2.3 Thiết bị kèm theo máy chính

- Bơm LO bôi trơn máy chính: 01 cụm

- Bơm chuyển nhiên liệu thấp áp: 01 cụm

1.2.4 Tổ máy phát điện JD-MAR 75

1.2.4.1 Diesel lai máy phát

Diesel lai máy phát có ký hiệu 4045T do hãng JOHN DEERE

(USA) sản xuất, là diesel 4 kỳ tác dụng đơn, một hàng xy-lanhthẳng đứng, tăng áp, làm mát gián tiếp hai vòng tuần hoàn, bôitrơn áp lực tuần hoàn kín, khởi động bằng điện DC 24V

- Hãng (Nước) sản xuất: JOHN DEERE (HOA KỲ)

- Công suất định mức, [Ne]: 99 hp

- Vòng quay định mức, [n]: 1800rpm

- Số xy-lanh, [Z]: 4

- Suất tiêu hao nhiên liệu: 180 g/ml.h

- Suất tiêu hao dầu nhờn: 1,25 g/ml.h

- Lượng dầu nhờn tuần hoàn trong hệ thống: 9 lít

- Chu kỳ thay dầu nhờn: 200 h

1.2.4.3 Thiết bị kèm theo mỗi tổ máy phát điện

- Bơm LO bôi trơn máy: 01 cụm

- Bơm nước ngọt làm mát: 01 cụm

- Bơm nước biển làm mát: 01 cụm

- Bầu làm mát dầu nhờn: 01 cụm

- Bầu làm mát nước ngọt: 01 cụm

- Máy phát điện một chiều: 01 cụm

- Mô-tơ điện khởi động: 01 cụm

1.2.5 Các thiết bị động lực khác

1.2.5.1 Các két

- Công suất động cơ điện: 10kW

- Kiểu động cơ điện: AC, 3 pha

- Công suất động cơ điện: 7 kW

- Kiểu động cơ điện AC, 3 pha

- Công suất động cơ điện:1,7 kW

- Vòng quay động cơ: 1450 v/p

4 Tổ bơm nước biển sinh hoạt

- Kiểu : Bơm xoáy lốc

- Ký hiệu: AL321oK

- Hãng (Nước) sản xuất: HẢI DƯƠNG VIETNAM

- Lưu lượng: 3 m3/h

- Kiểu động cơ điện: AC, 3 pha

- Công suất động cơ: 1,7 kW

- Kiểu động cơ điện: AC, 3 pha

- Công suất động cơ điện:1,7 kW

- Vòng quay động cơ: 1450 v/p

6 Tổ bơm vận chuyển dầu đốt

- Kiểu : Bánh răng nằm ngang

- Hãng (Nước) sản xuất: USSR

- Lưu lượng: 3.0 m3/h

- Cột áp: 2,5 kG/cm2

- Kiểu động cơ điện: AC, 3 pha

- Công suất động cơ điện:0,75 kW

- Kiểu động cơ điện: AC, 3 pha

- Công suất động cơ điện:7,5 kW

- Kiểu động cơ điện: AC, 3 pha

- Công suất động cơ: 2,2 kW

- Hãng (Nước) sản xuất: HÀ BẮC VIETNAM

2 Tổ quạt thổi buồng máy

- Hãng (Nước) sản xuất: TIA SÁNG (VIỆT NAM)

- Dung lượng 01 bình: 12V-180Ah

- Dung lượng cả tổ: 24V-180Ah

2 Tổ ắc-quy chiếu sáng sự cố

- Ký hiệu: 6CTK-180

- Hãng (Nước) sản xuất: TIA SÁNG (VIỆT NAM)

- Dung lượng 01 bình: 12V-180Ah

- Dung lượng cả tổ: 24V-360Ah

3 Tổ ắc-quy vô tuyến điện

- Ký hiệu: 6CTK-180

- Hãng (Nước) sản xuất: TIA SÁNG (VIỆT NAM)

- Dung lượng 01 bình: 12V-180Ah

- Dung lượng cả tổ: 24V-180Ah

4 Tổ ắc-quy chiếu sáng hàng hải

- Ký hiệu: 6CTK-180

- Hãng (Nước) sản xuất: TIA SÁNG (VIỆT NAM)

- Dung lượng 01 bình 12V-180Ah

- Dung lượng cả tổ: 24V-180Ah

1.2.5.6 Các thiết bị hệ thống khí nén

1 Tổ máy nén khí

- Kiểu động cơ điện: AC, 3 pha

- Công suất động cơ điện: 7,5 kW

- Hãng (Nước) sản xuất: SKODA CZEC

3 Bình chứa không khí nén điều khiển

- Dung tích: 100 lít

- Áp suất: 4 kG/cm2

- Hãng (Nước) sản xuất: SKODA CZEC

1.2.5.7 Các thiết bị chữa cháy buồng máy

4 Bình bọt chữa cháy buồng máy di động

- Kiểu : Sợi tổng hợp tẩm cao su

- Đường kính đầu phun: 16 mm

1.2.5.8 Các thiết bị buồng máy khác

1 Cầu thang buồng máy

Diesel lai máy phát có ký hiệu 4ESDL do hãng YANMAR

(JAPAN) sản xuất, là diesel 4 kỳ tác dụng đơn, một hàng xy-lanhthẳng đứng, không tăng áp, làm mát gián tiếp hai vòng tuầnhoàn, bôi trơn áp lực tuần hoàn kín, khởi động bằng điện DC 24V

- Hãng (Nước) sản xuất: YANMAR (NHẬT BẢN)

- Công suất định mức, [Ne]: 62 hp

- Hãng (Nước) sản xuất: YANMAR (NHẬT BẢN)

- Công suất máy phát: 32 kVA

- Vòng quay máy phát: 1500 rpm

1.2.6.3 Kèm theo mỗi tổ máy phát điện

- Bơm LO bôi trơn máy: 01

- Bơm nước ngọt làm mát: 01

- Bơm nước biển làm mát: 01

- Bầu làm mát dầu nhờn: 01

- Bầu làm mát nước ngọt: 01

- Máy phát điện một chiều: 01

- Mô-tơ điện khởi động: 01

- Các bầu lọc: 01

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN SỨC CẢN VÀ LỰA CHỌN

HỆ ĐỘNG LỰC CHÍNH

2.1 Tính toán sức cản

2.1.1 Các thông số cơ bản của tàu

- Chiều dài lớn nhất Lmax = 69,83 m

- Chiều dài đường nước thiết kế Ltk = 65,85 m

2.1.4 Xác định công suất máy chính

Công suất kéo:

η=ηcv ηđt ηtđ= 0,95.0,95.0,97=0,87Trong đó: ηcv= 0,95 – Hiệu suất chân vịt

ηđt=0,95 – Hiệu suất đường trục

ηtđ=0,97 – Hiệu suất bộ truyền độngCông suất cần thiết cho chân vịt:

N p=N r

ηcv

= 849,2 0,87 =976,09 (kW)Công suất của máy chính:

η cosa .(110%)=

849,2 0,87.1 (110%)=1073,7 (kW)

Kết luận: Do khi hoạt động máy chính có thể được trích

thêm cho nhiều nhu cầu bổ sung trên tàu nên ta có thể chọn Máymang kí hiệu Zichai Z8170ZLC-18

Loại động cơ Diesel 4 kỳ, tác dụng đơn, piston một hàngthẳng đứng, một tua bin tăng áp và một bầu làm mát không khí(sinh hàn gió)

Các thông số cơ bản của máy chính:

 Khối lượng hộp số 1300 kg

2.2 Lựa chọn hộp số

Có thể chọn loại hộp giảm tốc theo catalog của hãng máy baogồm các thông số: nhãn hiệu, tỷ số truyền, kích thước, khối lượng.Xác định tốc độ vòng quay của trục đầu ra của hộp giảm tốc:

n p=n

i=

1200

4 =300 (v/p)Trong đó: n - Tốc độ vòng quay của động cơ chính (v/p)

i - Tỷ số truyền của hộp giảm tốc

Kết luận: Ta lựa chọn được 01 hộp số của hãng HangZhou Series

lai hệ trục chân vịt có thông số như sau:

- Kiểu: HC600A

- Tỷ số truyền: 4 : 1

2.3 Thiết kế sơ bộ chân vịt

2.3.1 Chọn vật liệu chế tạo chân vịt

Vật liệu chế tạo chân vịt là hợp kim đồng HBsC1.Theo (bảng7A/7.3 Quy phạm phân cấp và đóng tàu vỏ thép TCVN 6259-2003)

có thông số về cơ tính của hợp kim đồng (cho trong bảng 2.3)

Bảng 2.4 Vật liệu chế tạo chân vịt

Ký hiệu vật liệu Giới hạn bền

Kết luận:  = 0,26

b Hệ số dòng hút

t = k1  (2.5)Với k1 = (0,61,05) là hệ số phụ thuộc vào dạng profin củabánh lái Chọn k1 = 0,6

T Hạng mục tính

Ký hiệu

Đơn vị

Công thức Nguồn gốc

-Kết quả

T Hạng mục tính

Ký hiệu

Đơn vị

Công thức Nguồn gốc

-Kết quả

2.3.4 Chọn tỉ số đĩa theo điều kiện bền

Xuất phát từ điều kiện đảm bảo hiệu suất đẩy ta chọn  theocông thức:

θ≥θmin=0,375 3√ (D.δ C ' Z m)2.(10m '4 p) (2.7)

Ta có kết quả tính toán trong bảng 2.6

Bảng 2.6 Chọn tỉ số đĩa theo điều kiện bền ST

T

Hạng mục

tính

Ký hiệu

Đơn vị

Công thức - Nguồn

gốc

Kết quả

Đơn vị

Công thức - Nguồn

gốc

Kết quả

Kết luận: Kết quả tính toán từ bảng 2.6 ta có tỉ số đĩa θ = 2

2.3.5 Nghiệm lại vận tốc tàu để chân vịt sử dụng hết công suất

Tính toán công suất tiêu thụ thực tế của chân vịt theo côngthức:

-η là hiệu suất thực tế của chân vịt

Sau đó nghiệm lại công suất tàu theo công thức:

(là thỏa mãn điều kiện)

Khi tính toán với vận tốc sơ bộ mà sai số công suất vượt quá3% thì ta phải tính lại vận tốc của tàu theo công thức sau:

Bảng 2.7 Nghiệm lại vận tốc tàu để chân vịt sử dụng hết công

suất ST

T

Hạng mục

tính

Ký hiệu

Đơn vị

Công thức Nguồn gốc

-Kết quả

Đơn vị

Công thức Nguồn gốc

-Kết quả

hưởng của chân

Ne 1 | .100% 0,67

Kết luận: ΔNN = 0,015% ¿ [ ΔN N] = 3% là giới hạn chophép nên chân vịt sử dụng hết công suất động cơ Vậy chọn vậntốc v =10 lh/h Ta thiết kế chân vịt có đường kính D = 0,72 m

2.3.7 Nghiệm bền chân vịt theo yêu cầu xâm thực

Theo Schoenherr thì tỷ số đĩa nhỏ nhất không xảy ra xâm thựcđược tính theo công thức sau:

θ ¿ θmin =

130.ξ1 K C

P (np.Dp)2 (2.11)Kết quả tính toán theo bảng 2.8

Bảng 2.8 Nghiệm bền chân vịt theo yêu cầu xâm thực

Đơn vị

Công thức Nguồn gốc

-Kết quả

Kết luận: Điều kiện xâm thực được thoả mãn

2.3.8 Xác định khối lượng và kích thước chân vịt

Khối lượng chân vịt được xác định theo KOIEFSKI (theo lý thuyết tàu) ta cócông thức:

1 Đường kính của

3 Chiều dày đỉnh chân

Chiều dài củ chân vịt l0 = 576 mm

Đường kính trung bình của chân vịt d0 = 300 mm

Khối lượng chân vịt G =570 kg

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM

3.2 Tính toán thiết kế trục chân vịt

3.2.1 Đường kính trục chân vịt

Đường kính nhỏ nhất của trục chân vịt được xác định theo công thức:

d s=100 k 2.√3 N e

n .(560T s+160).K Trong đó: k2 - hệ số tính toán

N e – Công suất liên tục lớn nhất của động cơ (kW)

n – Số vòng quay trục chân vịt ở công suất lớn nhất (v/p)

Ts – Giới hạn bền kéo danh nghĩa của vật liệu trục (N/mm2)

K – Hệ số xét đến trục rỗngKết quả tính trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Tính toán đường kính trục chân vịt

STT Hạng mục tính Ký

hiệu Đơn vị Công thức - Nguồn gốc

Kết quả

STT Hạng mục tính Ký

hiệu Đơn vị Công thức - Nguồn gốc

Kết quả

Trong đó: b – Chiều dày khớp nối trục chân vịt (mm)

ds – Đường kính tính toán trục chân vịt (mm)Đường kính bu lông khớp nối trục chân vịt được xác định bằng công thức:

d b=0,65.√d s3 (T s+160)

Nbl.D.TbTrong đó: ds – Đường kính tính toán trục chân vịt (mm)

Ts – Giới hạn bền của vật liệu SF50 (N/mm2)

Nbl – Số bu lông

D – Đường kính vòng tâm bu lông khớp nối trục chân vịt (mm)

Tb – Giới hạn bền kéo của vật liệu chế tạo bu lông (N/mm2)Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 3.4

Bảng 3.3 Tính toán khớp nối trục ST

T Hạng mục tính

Ký hiệu

Đơn

vị Công thức – Nguồn gốc

Kết quả

T Hạng mục tính

Ký hiệu

Đơn

vị Công thức – Nguồn gốc

Kết quả

Đường kính cơ bản của bu lông nối trục được thiết kế: d b=24mm

Chiều dày bích nối trục được thiết kế: b=25mm

3.3.2 Ổ đỡ trục chân vịt

3.3.2.1 Vật liệu chế tạo ổ đỡ trục chân vịt

Vật liệu chế tạo ổ đỡ trục chân vịt: bạc cao su áo đồng

3.3.2.2 Tính toán bạc trươc và bạc sau của trục chân vịt

Chiều dài bạc trước chân vịt: L T >2dcc =2.140=280

Trong đó: dcc – Đường kính của trục chân vịt (mm)

ds – Đường kính yêu cầu của trục chân vịt (mm)

Kết luận: Chọn chiều dài bạc gồm:

Bạc trước trục chân vịt: L T=300 mm

Bạc sau trục chân vịt: L S=580mm

3.3.3 Tính then chân vịt và then khớp nối

- Chọn vật liệu làm then là thép SF55

- Chiều dài then khớp nối được tính với công thức:

x tk

k k tck

4Ml

h d



Trong đó:

Mx là mô men xoắn trên trục với

M x= 71620 Ne

ncv(vớiNe= 528 kW và n = 300 vg/p) => Mx = 126051,2 (kG.cm)

htlà chiều cao làm việc của then khớp nối (theo thiết kế) ht = 0,9 cm

Rk là giới hạn chảy của vật liệu làm then khớp nối Rk = 2250 (Kg/cm2)

σk là ứng suất dập cho phép vật liệu khớp nối

x tcv

tcv cv tcv

4Ml

h d



Trong đó:

Mx là mô men xoắc trên trục Mx = 126051,2 (kg.cm)

htcv là chiều cao làm việc của then chân vịt (theo thiết kế) htcv = 1.2 cm

σcv là ứng suất dập cho phép vật liệu khớp nối Vật liệu là thép 45 có

Kết luận: Chọn then chân vịt có l.b.h = 300x22x40(mm)

Chọn then khớp nối có l.b.h = 220x22x40 (mm)

Hình 3.1 Sơ đồ lực phân bố trên các đoạn trục

3.4.1.2 Tính phản lực và momen trên các gối đỡ

- Đơn vị trọng lượng của trục

+ Mô men xoắn do động cơ truyền cho chân vịt,

M x=71620.N e

N =71620.

720

1200=42972 (kG.cm)+ Lực đẩy của chân vịt:

Trong đó: Rk – Sức cản kéo của tàu (kG)

t – Hệ số dòng hút

ψ– Hệ số dòng theo

k1 = (0,6÷1,05) – Hệ số phụthuộc vào dạng profin bánh lái

- Mômen tại các gối:

+ Mômen uốn tại gối đỡ số 0:

M0=−(G la+ q l 02

2 )=−(570.41,3+1,2.82,7

2 )=−27644,6 (kG.cm)Dấu âm (-) thể hiện mô men uốn trục xuống

+ Phương trình 3 mô men cho nhịp 0 và 1:

M0 l1+2.(l1+l2) M1+M2 l2=−q

4 (l13 +l23

)

-6748046,86 +2 (244,1+ 175) M1+ M2 175 = -1 ,2

4 .(244,1

3 +1753)Rút gọn ta có:8 38,2 M1+175 M2=776838 (1)

+ Phương trình 3 mô men cho ngàm 2:

M1 l2+2 M2 l2= −q l23

4

175 M 1 + 2 175 M 2 = −1,2 175 3

4Rút gọn ta có: 175 M1+350 M2=−1607812,5(2)

Vậy giả thiết tính toán ban đầu là đúng

3.4.2 Kiểm nghiệm bền hệ trục

3.4.2.1 Kiểm nghiệm bền theo hệ số an toàn

Do trục chân vịt chiu tải trọng và ứng suất lớn nên ta kiểm nghiệm bền hệ số

an toàn cho trục chân vịt Để trục chân vịt đủ bền khi và chỉ khi hệ số an toàn củatrục chân vịt phải lớn hơn hoặc bằng hệ số an toàn cho phép:

n= σch

σtd ≥[n]

Trong đó: σch – Giới hạn bền chảy của vật liệu (kG/cm2)

σtd – Ứng suất tương đương (kG/cm2)

Kết quả tính toán kiểm nghiệm hệ số an toàn cho trục chân vịt theo bảng 3.5

Bảng 3.4 Kiểm nghiệm bền hệ số an toàn

[Kod]<Kod= Pth

Pmax=

Pth

1,3PỨng suất nén do lực đẩy chân vịt lớn nhất gây ra phải nhỏ hơn ứng suất nén

c d

J  

Kết luận: Từ bảng 3.6 ta có:

Kod>[Kod]:8,09>2,5

σmax<[σod]:105,18<1052,3Vậy trục làm việc đảm bảo độ ổn định dọc trục

3.4.2.3 Kiểm nghiệm biến dạng hệ trục

Xét độ võng tổng của hệ trục:

ftổng = f1 + f2Trong đó: f1 được tính với công thức: f1= 5.Q.l2

STT Hạng mục tính Ký hiệu Đơn vị Công thức

Mô men uốn

gây ra tại đầu tự

3.4.2.4 Kiểm nghiệm áp lực tác dụng lên gối đỡ

Để kiểm nghiệm được áp lực riêng tác dụng lên các gối đỡ làm việc an toàn

ta cần tính được áp lực lên gối trục chân vịt có trị số nhỏ hơn so với áp lực riêngcho phép:

(1+2cos2 α ).0,9 dcv lcv<[P]

Trong đó: Pcv là áp lực lên gối trục chân vịt (kG/cm2)

R1 là phản lực tác dụng lên gối trước trục chân vịt (kG)

dcv là đường kính trục chân vịt (cm)

lcv là chiều dài ổ đỡ trục chân vịt (cm)

[P] là áp lực riêng cho phép (kG/cm2)

α là góc giữa các múi = 30˚

Kết quả tính toán theo bảng 3.8

Bảng 3.7 Nghiệm áp lực tác dụng lên gối đỡ ST

T Hạng mục tính

Ký hiệu Đơn vị

Công thức Nguồn gốc

-Kết quả

1 Phản lực tác dụng lên

gối sau trục chân vịt R0 kG Đã tính 937,62

Chiều dài bạc đỡ tại

gối đỡ sau trục chân

vịt

3 Đường kính cổ trục

4 Diện tích chiều dài

Chiều dài bạc đỡ tại

gối đỡ trước trục chân